Abwasser von Nanopartikeln reinigen

Können Bakterien helfen, Nanopartikel aus dem Abwasser zu entfernen?

Silbernanopartikel werden einer wachsenden Anzahl alltäglicher Konsumgüter zugesetzt, wobei viele leider unweigerlich ihren Weg in die Umwelt finden. In einer Studie wurde untersucht, ob lebende bakterielle Biofilme bei der Entfernung dieser Partikel in der Abwasserbehandlung helfen können.

Heutzutage integrieren Hersteller technische Nanopartikel in tausende von Produkten wie Kosmetika, Sonnenschutzmittel, Kleidung und Lebensmittelverpackungen. Dies soll die vorhandenen Eigenschaften verbessern oder dem Produkt neue Vorteile wie eine verbesserte Textur oder eine längere Haltbarkeit hinzuzufügen. Silbernanopartikel (Ag-NPs) gehören zu der größten und am schnellsten wachsenden Gruppe aufgrund ihrer starken antimikrobiellen Eigenschaften und relativ geringen Kosten.

Ein großer Teil dieser winzigen Partikel wird jedoch unaufhaltsam in das Abwasser abgegeben, und viele gelangen dadurch letztendlich in die Umwelt. Hier können sie sich in Kulturpflanzen und Wasserlebewesen akkumulieren. Damit gelangen sie möglicherweise in die Nahrungskette und könnten sich negativ auf Menschen und Umwelt auswirken. Innovative Ansätze sind erforderlich, um diese neue vom Menschen verursachte potentielle Gefahr für unsere Umwelt zu verstehen und richtig zu bekämpfen.

Bakterielle Biofilme - Freund oder Feind?

Biofilme sind Gemeinschaften von Mikroorganismen, die sich aneinander und oft auch an Oberflächen, wie z. B. an der Innenseite von Rohren, festsetzen. Einmal in aquatischen Umgebungen etabliert, extrudieren sie Moleküle, die eine extrazelluläre Matrix bilden. Diese bietet ihnen Schutz und macht eine Entfernung besonders schwierig.

Im Labor stellen Biofilme eher ein Problem dar. Sie können eine ständige Kontaminationsquelle darstellen, da Bakterien und die mit ihnen verbundenen Endotoxine und Nukleasen in unvorhersehbaren Ausbrüchen freigesetzt werden. Im Gegensatz dazu nutzen Ingenieure in Kläranlagen Biofilme und integrieren sie in bestehende Prozesse, um so die Kapazität der Wasseraufbereitung um bis zu 200% zu verbessern. Derzeit untersuchen Forscher, ob bakterielle Biofilme dazu beitragen könnten, technisch hergestellte Nanopartikel aus dem Abwasser zu entfernen und deren Eintrag in die Umwelt einzudämmen.

Das Silber heraussieben

In einer Studie untersuchten Wissenschaftler der Universität von Arkansas, ob lebende Biofilme aus Bakterien Ag-NPs erfolgreich aus dem Abwasser entfernen können.¹ Das Forschungsteam produzierte Ag-NPs im Labor, wobei sorgfältig darauf geachtet wurde, dass beim Synthesevorgang keine Verunreinigungen eingetragen wurden. Dies gelang durch den Einsatz von in Säure gewaschenen Glaswaren, die dreimal mit Reinstwasser aus einem ELGA PURELAB® flex-System gespült wurden.

Die periodische Rezirkulation in der PURELAB® flex verhindert, dass sich Biofilme im Reinstwasser überhaupt bilden können und sorgt dafür, dass Forschungsergebnisse ungetrübt bleiben. Die Wissenschaftler erstellten künstliche Biofilme unter Verwendung verschiedener Kombinationen von vier Bakterienarten, die typischerweise im Abwasser vorkommen. Anschließend führten sie eine Reihe sorgfältig kontrollierter Laborexperimente durch, um die Fähigkeit ihrer Biofilme zur Anreicherung von Ag-NPs aus synthetischem Abwasser zu untersuchen.

Die beste Kombination

So fanden sie heraus, dass ein Biofilm aus zwei bestimmten Arten – A. calcoacetius und D. acidovorans – die höchsten Konzentrationen an Ag-NPs akkumulierte. In weiteren Tests stellten sie fest, dass sich geringe Konzentrationen von Ag-NPs an den Biofilm binden und anschließend freigesetzt werden.

Angesichts der Dynamik lebender Biofilme sind die Phänomene der Ag-NP-Akkumulation und ihre anschließende Freisetzung wertvolles Wissen, das auch dazu beitragen wird, das Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Biofilm und Nanopartikeln in anderen Systemen zu verbessern.

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Quelle:

Walden, C. & Zhang, W. Bioaccumulation of silver nanoparticles in model wastewater biofilms. Environmental Science.: Water Research & Technology. 2018. DOI:10.1039/c8ew00102b